晉西黃土高原礦區生態系統服務與居民福祉空間耦合特征

梁秀琴馮 強段寶玲

(山西財經大學 資源環境學院,山西 太原030006)

生態系統服務源于自然生態系統,對人類福祉的諸多方面存在貢獻[1],提供了社會發展的物質基石。但人類福祉與生態系統并非線性發展[2],人類需求不斷提高對生態系統造成難以挽回的損失,致使雙方關系愈發緊張,嚴重影響區域的可持續發展[3]。因此,生態系統保護在全球范圍內引起了廣泛關注[4-6],促進生態系統服務與居民福祉協同提升成為既順應時代發展又緊跟研究前沿的核心議題,也是實現人與自然和諧發展的理論基礎。

生態系統合理的格局和健康的生態功能是維持生態系統服務的基礎[7],生態系統服務的出發點與落腳點是可持續的人類福祉。生態系統服務指人類從生態系統直接或間接獲得的各種惠益[8],福祉被認為是一種健康、幸福、良好積極的生活狀態[9]。自2005年進行千年生態系統評估后,眾多學者在生態學、地理學或社會學等領域對生態系統服務和居民福祉的研究取得了豐碩成果,例如雄鷹等[10]以廣東省樂昌市為例,探討南方丘陵山地農戶福祉與生態系統服務關系;Ma等[11]研究秦嶺地區的生態意識對農民福祉的影響,發現空氣質量改善提高了農民的生活滿意度;楊雪婷等[12]研究表明供給與文化這兩項生態系統服務對居民福祉影響較大。

多數研究聚焦于生態系統服務對居民福祉的作用和從不同尺度探討兩者的時空變化等[13-14]方面,缺少對兩者深層次耦合機制的探討,而街鎮作為居民生存發展的基本單元,從此視角切入的研究更為少見。

因此,在美麗中國建設不斷深入的背景下,研究小尺度空間內生態系統服務與居民福祉的耦合關系,不僅能夠定量描繪兩者協調性的空間特征,而且能識別其背后的驅動因子,從而切實為當地可持續發展提供決策依據?？傮w來說,生態系統服務與福祉發展密不可分,兩者的耦合研究逐漸成為當前研究的熱點[2]。

三川河流域位于黃土高原中部,是我國礦產資源密集區,具有生態脆弱疊加采礦干擾的雙重特征。例如其柳林縣是我國優質主焦煤生產地區,煤炭資源質優量大,因而采礦業成為其支柱產業,并且相關產業也滲透到當地生態環境和居民生活的諸多方面。由此可見,該流域居民的生存發展與礦產資源密切相關,但經濟利益提升的同時居民也飽受采礦所產生的危害。分析該流域生態系統服務價值和居民福祉的耦合關系、識別耦合協調度空間分布的主要影響因子對指導其綠色發展具有重要意義。

因此,本文通過當量因子法計算生態系統服務價值,構建居民福祉測量指標體系并進行問卷調查,探析生態系統服務價值與居民福祉水平,進而探討2020年研究區生態系統與居民福祉的空間分異、耦合機制及其影響空間分異的主導因子。本文研究成果可為資源密集型生態脆弱區居民福祉保障和生態環境管理的政策制定提供理論支撐和實踐參考。

1 研究區概況

三川河是黃河的一級支流,流經山西呂梁中部,流域面積4 164 km2,是晉西的最大流域,包含呂梁離石區、柳林縣、中陽縣和方山縣4縣區的大多數地域。呂梁市在《全國資源型城市可持續發展規劃(2013—2020年)》中被確定為資源型城市,其中三川河流域煤礦資源儲量占比較大,僅柳林縣煤礦數量和產能占到呂梁市的1/3,煤炭資源成為帶動該流域經濟發展的源泉,但同時也衍生資源枯竭、植被破壞和環境污染等生態問題。

另外,該地區是水土流失比較嚴重的區域,流域內植被覆蓋度低、土地貧瘠、降水量年度變化大,影響到當地居民的經濟與生態安全?？傊?三川河流域由于自然和人為原因導致的生態問題日益突出,當前經濟社會發展仍較為落后且生態環境脆弱。雖然近年來進行多次綜合治理,但生態困境仍制約當地居民生存發展,因此探究生態系統服務與居民福祉有助于促進可持續發展。

2 材料與方法

2.1 數據來源

本文研究時段為2020年,數據包括3部分:①生態系統服務數據:土地利用數據、社會經濟數據。②福祉數據:入戶調查數據、NDVI數據。③其他數據:高程數據、行政區劃數據。其中土地利用數據、NDVI數據和行政區劃數據源于中國科學院資源環境科學數據中心,高程數據源于地理空間數據云平臺,并通過ArcGIS 10.5軟件提取研究區的范圍。社會經濟數據源于《中國統計年鑒》《呂梁統計年鑒》《柳林縣統計年鑒》《中陽縣統計年鑒》《離石區統計年鑒》《方山縣統計年鑒》和各區縣政府網站公布的《國民經濟和社會發展統計公報》與《中國農產品價格調查年鑒2021》,運用ArcGIS 10.5軟件進行數據分析,入戶調查數據主要通過實地調查獲得。

調查問卷內容包括3方面:居民的生活基本情況、對生活及環境條件的滿意度與生態系統服務認知情況調查。調查區域涉及三川河流域33個街鎮,調查人數基本與街鎮居民人口數量相對應,調查對象以中年人為主,能夠對生態系統服務具有深層次的感知。其次在調查過程中,對相關生態系統服務類型附圖說明,問卷內容更為通俗易懂。本次調查時間為2021年7月,共收集421份有效調查問卷。

2.2 研究方法

2.2.1 生態系統服務價值測算

(1)ESV地區修正。參考朱相君等[15]的研究成果,采用以農田為基準的地區修正法對生態系統服務價值當量進行修正,將研究區農田糧食單位面積產量與全國農田糧食單位面積產量的比值0.45作為修訂系數。

(2)借鑒謝高地等[16]改進后的中國陸地生態系統單位面積服務價值當量表,將單位面積當量服務價值確定為農田生態系統主要農作物單位經濟價值的1/7,計算公式為:

式中:ESV為生態系統服務價值(元);Ek為單位面積生態系統服務的經濟價值(元/hm2);VCk為第k種生態系統類型的單位面積生態系統服務價值(元/hm2);i為作物種類;mi為i種作物種植面積(hm2);qi為i種作物的單位面積產量(kg/hm2);pi為i種糧食作物全國平均價格(元/kg);M為糧食作物種植總面積(hm2);Qky為k類土地利用類型y類生態系統服務功能的當量因子;Ak為第k種生態系統類型的面積(hm2)。本文選擇研究區主要農作物為玉米和谷子,其糧食作物單產分別為4 126.55和1 588.61 kg/hm2,平均市場價格分別為2.24和3.01元/kg,最終確定標準生態系統的單位面積生態服務功能價值量為595.33元/hm2。

2.2.2 居民福祉評估

(1)居民福祉指標體系。福祉本質指人類需要得到滿足的程度[17],表現出我們所追求的理想生活狀態。本文的人類福祉指標體系以其含義和特征為基礎,按照科學性、多維性和層次性等原則而構建,主要涵蓋主、客觀視角,客觀指標主要為調查對象的基本生存情況,例如收入水平、用水量和交通條件等,通過實際調查了解;主觀指標主要從生活滿意度和認知情況方面進行調查。另外,指標權重通過熵值法計算,客觀賦權可避免主觀判定法產生的臆斷性問題,表1為熵值法計算結果。

表1 居民福祉度量指標體系

(2)居民福祉測算。福祉得分通過綜合得分法計算獲得,在福祉指標權重確定之后,進行加權求和,計算居民綜合福祉得分,計算公式為:

式中:S表示人類福祉分數;n為指標個數;j為人類福祉指標;Wj為j指標權重;Sj為j指標的標準化值。

2.3 研究模型

2.3.1 耦合協調度模型

(1)耦合協調度是多個系統或要素間相互影響、彼此和諧一致的程度[18]。本文根據三川河流域實際情況和前人的研究經驗,建立生態系統服務與居民福祉耦合度與耦合協調度模型且進行分類,測算兩者間的相互作用強度,其計算公式為:

式中:C為耦合度;f(x)為居民福祉綜合指數;g(y)為生態系統服務綜合指數;T為綜合指數;a,b為兩系統系數,本文認為二者在發展中一致重要,此處a=b=0.5D為耦合協調度。

(2)生態系統服務與居民福祉耦合度(C)及耦合協調度(D)等級劃分。C值越大,表示兩個系統之間的關聯性越大,相互作用性越好[19]。D的取值范圍為[0,1],該指標能更好地反映出兩個系統之間的協調性,數值越大說明生態系統服務與居民福祉發展越協調,表2為C和D的等級劃分。

表2 耦合度及耦合協調度等級劃分

2.3.2 相對發展模型 相對發展模型能夠體現兩系統之間的相對發展情況[20],其計算公式如下:

式中:f(xi),g(yi)分別為i街鎮的居民福祉綜合指數和生態系統服務綜合指數;生態系統服務與居民福祉的相對發展類型可以區分為3類,居民福祉滯后型、同步發展型以及生態系統服務滯后型。參考相關研究,當F≤0.9時,則發展類型為居民福祉滯后型;當0.9＜F≤1.2時,居民福祉與生態系統服務同步發展;當F＞1.2時,為生態系統服務滯后型。

2.3.3 地理探測器 地理探測器是探測空間分異性,以及揭示其背后驅動力的工具,可解釋自變量對因變量的解釋作用強度[21],即探測影響耦合協調度空間異質性的主要因子,結果用q統計量表示,其計算公式為:

式中:q為某因子的影響力,值域為[0,1],值越大表示自變量對因變量的影響越大。h=1,…,L為變量Y或因子X的分層;nh,n分別為層h和全區的樣本數;σ2h,nσ2分別為層h和全區Y值的離散方差。

考慮數據的獲取程度,影響因子包括:人口集聚程度、人均耕地面積、人均用水量、人均年收入、年均降水量、植被覆蓋度、土地利用程度。利用ArcGIS 10.5軟件將X(影響因子)與Y(耦合協調度)的各項指標數據采用自然斷點法進行分類后,通過地理探測器中的“因子探測”和“交互作用探測”功能,探析研究區生態系統服務與居民福祉耦合協調度空間分異的驅動因子及其交互作用。

3 結果與分析

3.1 生態系統服務價值空間分布

結果顯示,2020年該流域生態系統服務價值呈現“東高西低”的空間格局(圖1),表現出較強的東西差異,這與植被分布的格局相似。高值區分布在流域東部即方山縣及中陽縣南部,形成該流域主要的生態輸出區,包括信義鎮、吳城鎮、暖泉鎮、馬坊鎮、北武當鎮等。這得益于該地區較高的植被覆蓋度和優越的自然條件,同時處于郊區或經濟欠發達區,人口較少,生態系統狀況較好。例如南部的中陽縣2020年森林覆蓋率達到49.09%,遠高于同期我國森林覆蓋率22.96%。低值區分布在流域中西部的離石區和柳林縣,包括西屬巴街道、蓮花池街道、城北街道、薛村鎮等,主要受制于城市擴張、礦區資源消耗和自然條件差等方面的相互作用,已有研究[22-23]也表明經濟發展和建設空間擴張會不斷擠壓生態環境空間,粗放式的城市開發短期內改善福祉,但導致的生態環境惡化將影響人類福祉的長期增長潛力,城市化快速發展必然對生態環境產生較大壓力。

圖1 三川河流域生態系統服務價值空間分布

3.2 居民福祉空間分布

通過Jenks自然斷點法將居民福祉水平分為5個等級,結果顯示2020年該流域居民福祉水平總體呈現“中部低、東西高”的空間分異格局(圖2)。

圖2 三川河流域居民福祉空間分布

高值區主要分布在方山縣、離石區東部、中陽縣東南部和柳林縣中西部,前3個區域處于非礦區,存在共同特征即生態狀況良好,這與該區域生態系統服務價值的分布特點相印證;而柳林縣處于礦區,2020年GDP為220.5億元,占據呂梁市當年GDP的14.3%,僅次于孝義市,這成為當地部分居民福祉較高的主要原因。低值區大致分布在流域中南部街鎮,離石區福祉水平低主要與生態環境相關。該區域礦業發展滿足居民基礎生活資料需要,但這種滿足以犧牲精神需求為代價,而在居民物質生活滿足后對生活質量要求較高,故而福祉水平較低;其次中陽縣南部的鄉鎮福祉水平較低主要受生活條件限制。該區域經濟水平低,人口少且交通不便利,同時自然資源轉化為經濟價值的途徑單一,主要依靠農業生存,居民可獲取的社會和生態資源有限,嚴重制約居民的生存與長期發展。

3.3 服務與居民福祉空間耦合協調特征

基于耦合協調度模型,計算三川河流域兩系統的耦合度及耦合協調度并劃分其協調狀態。結果顯示其耦合度呈現“南北高,中間低”的特征(圖3),另外流域內街鎮大部分屬于磨合耦合與高水平耦合,兩者占比為86.7%,而中西部屬于低水平耦合,主要因為經濟發展與生態環境狀況協同發展困難。耦合協調度與生態系統服務價值空間分布格局相吻合,空間上呈“東高西低”的格局,存在4種類型:嚴重失調、輕度失調、初級協調和良好協調(圖3)。協調為該流域主要特征,其中良好協調比例58.9%。協調區主要分布在流域東部,這些地區基本遠離城市,森林資源豐富,生態狀況良好,在政策指導和管理水平提升的背景下,管理者不斷推出一系列措施促進生態系統服務與居民生產生活協調發展。失調區分布于中西部,并且中心街道及入河口鄉鎮處于嚴重失調。盡管該地區近年來不斷實施減排、“煤改氣”等環保項目,但經濟發展方式不合理、環境負擔過重成為其處于失調狀態的主要原因。生態文明理念、政府決策和區位戰略疊加效應等對于生態系統和居民福祉的耦合具有一定影響[24],要試圖改變不協調狀態,必須改進發展模式,劃定綠化底線,提高居民生態環保意識。該流域生態系統服務與居民福祉相對發展情況處于不同程度的失衡(圖3),街鎮數量排序從大到小依次為生態滯后型、福祉滯后型和同步發展型。生態滯后區主要為流域中西部的21個街鎮,經濟發展依賴工礦業,生態狀況較差,同時人口較多對資源消耗產生較大壓力,生態高需求與低供給的相互作用導致該區域處于生態滯后型發展;福祉滯后型的鄉鎮有9個,主要分布在流域東部和南部。盡管這些地區生態狀況較為良好,森林資源較為豐富,但受地形、產業發展和基礎設施建設等方面的限制,生態資源紅利難以持續釋放,居民福祉狀況落后于生態需求;同步發展型城鎮以“點”狀零星分布在流域內部,僅有3個鄉鎮生態與福祉處于較為匹配的狀態。

圖3 三川河流域生態系統服務福祉耦合度、耦合協調度及相對發展度空間分布

3.4 耦合協調度驅動因子分析

三川河流域兩系統的耦合協調度受到多因子的共同影響(表3),各因子根據q值大小排序依次為:土地利用程度(0.842)＞植被覆蓋度(0.805)＞年均降水量(0.798)＞人口集聚程度(0.693)＞人均年收入(0.329)＞人均耕地面積(0.235)＞人均用水量(0.202)。其中耦合協調度受土地利用程度的影響最大,植被覆蓋度與年均降水量次之且兩者差距較小,而人均耕地面積與人均用水量對耦合協調度的影響最小?？傊?根據因子指標選取和探測結果,表現為土地利用程度對耦合協調度的影響最大,解釋力最強,人均用水量對其影響最小。交互探測主要表示不同因子聯合對因變量的作用程度,地理探測器能夠判斷因子交互作用的方向及方式[25],這是其優越于其他統計方法所在。結果表明任意兩因子的交互值均大于單獨因子的值(表4),因此三川河流域兩系統的耦合協調度是由眾多驅動因子共同作用的結果。植被覆蓋度因子與其他任何因子交互后解釋值都高于0.950,其中植被覆蓋度∩人口集聚程度的q值為0.990,說明在相同植被覆蓋條件下,人口集聚程度會對耦合協調度產生較大影響,土地利用程度與人均年收入交互后解釋值也較高(0.992),另外人口集聚程度、人均年收入和年均降水量分別與其他因子的交互解釋值均高于0.8,其余因子交互程度雖然較低但也基本達到0.7以上。由此可以看出植被覆蓋度、土地利用程度、人口集聚程度、人均年收入和年均降水量對促進該流域生態系統服務與居民福祉更高程度耦合協調具有關鍵作用,且植被覆蓋度、土地利用程度與其他因子的交互作用對耦合協調度的影響顯著。

表3 驅動因子探測結果

表4 交互作用探測結果

4 討論

推動礦區生態系統服務與居民福祉的協同發展成為實現現代化生態文明目標的關鍵。本文在測算研究區生態系統服務與居民福祉水平的基礎上,通過耦合協調度模型、地理探測器探究耦合協調度在街鎮尺度下的空間差異及背后的驅動因子,較好地揭示了影響該流域耦合協調度的主要因子和因子組合,研究結果可為類似生態脆弱區實現人與自然和諧發展提供參考。

4.1 耦合協調度空間分異

生態系統服務與居民福祉的耦合協調度在空間范圍內存在差異。首先高值主要分布于該流域東部,以森林、草地為主,生態環境狀況與福祉狀況高于平均水平,耦合協調度較高。但Wang[26]認為懷來山盆地山區具有較高的調節服務(土壤保持和碳固持服務)、生境質量和森林游憩水平,而幸福感較差,與本文研究結果存在差異。原因為該區域的監管缺失將影響到調節服務和支持服務的可持續提供,而本文研究區東部山區經過合理規劃、監管與保護,相對而言居民福祉水平并不低。其次,流域中西部耦合協調度較低,主要為礦業發展區,處于服務與福祉失調狀態。研究表明:生態系統和經濟發展之間存在協同與權衡關系[27],資源開發推動經濟發展短期內改善人類福祉,但長遠來看將導致生態系統服務功能下降進而居民福祉降低?；羧降萚28]認為新泰市采煤沉陷區處于“低服務高福祉”模式,生態系統服務惡化將損害居民福祉。Adams等[29]認為過度開發生態系統服務可能對當地居民的主觀福祉產生負面影響。根據上述分析可知,今后流域中西部需秉持開發與保護并存原則,積極實施礦區生態修復,滿足居民基礎生活及更高層次的追求,助推經濟高質量發展。另外,該流域相對發展狀況具有明顯的東西差異,雖然東部居民福祉水平相對不低,但未與生態系統服務產生強協同效應,仍以福祉滯后型為主,因此在維護生態環境基礎上需加強對東部鄉鎮居民生活狀況的關注,提高其福祉水平。

4.2 耦合協調度影響因子

耦合協調度空間分異受多種因子的影響,其中土地利用程度和植被覆蓋度位居前列,綠地面積較多的區域主要分布在東部,而土地利用程度較高區域集中于中西部,這是地勢及資源差異所導致的結果,不同的生態環境與城市化進程勢必會影響耦合協調度。另外交互探測結果顯示除植被覆蓋度和土地利用程度以外,人口集聚程度和人均年收入與其他因子的交互值也較高,上述結論與已有的研究結果具有一致性。例如胡蕾[30]認為麗江市人均耕地面積對生態系統服務與居民收入耦合協調度有顯著的正相關關系,生計資本的存量可能對耦合協調有積極作用。Zhang等[31]認為社區體育公園的可及性對居民的主觀幸福感有積極的影響。李昂等[32]認為生態環境質量好轉和社會經濟發展是促使生態系統服務與居民福祉協調的主要原因。郭力娜等[33]認為建成區面積和收入等是影響遼寧省城鎮化與生態環境質量耦合協調度的重要因子,但與本研究結果也有不同之處,該學者認為人均公園綠地面積和建成區綠化覆蓋率的影響下降,主要原因為遼寧省環境治理與保護工作卓有成效。而本研究區生態系統服務在空間范圍內差異明顯,結果顯示森林植被等生態要素是影響耦合協調度的主導因子,全域內生態治理與保護水平仍有待提高。

因此今后該流域應在保護自然資本要素、環境治理修復和綠色經濟、社會服務水平提升兩方面雙管齊下,特別是通過鼓勵生態投資項目有助于實現生態系統維護和居民福祉提升之間的協調平衡。另外研究區人均年收入遠低于同期山西省人均水平,思考如何拓寬收入渠道和推進城鄉一體化發展也是協調發展的重要方面。

4.3 不確定性分析

本文居民福祉指標雖然考慮社會、經濟、人文等方面,但街鎮尺度的數據來源有限,不同學者所考慮的福祉范圍及指標也有所差異,指標體系等方面的差異使不同研究之間的可比性較差,統一的人類福祉研究方法還仍需探索。生態系統服務價值計算未納入建設用地,同時不同評估方法所得結果也存在差異,根據研究區域尋找更適合的測算方式還有待探討。另外本文僅從空間尺度對兩系統耦合協調度進行劃分,缺少時間尺度的測算,所提出的管理建議還尚顯不足。本文通過地理探測器識別耦合協調度空間異質性的影響因子,探測結果可定量表現各驅動因子和因子組合對生態系統服務空間異質性的解釋力度,但此方法也有一定缺陷。例如使用過程中在對連續的自變量因子進行離散化處理時沒有明確的分類標準,離散化方式的不同會對最終的探測結果產生一定影響[34]。在今后的研究中,一方面應關注時間序列的變化,這能夠反映研究區生態系統價值的變化,另外對人類福祉的評價應更為全面,尋求更為可靠的分析方法對其相互作用機制進行深層次的剖析,以期提出更科學的協調發展建議。

5 結論與建議

5.1 結論

(1)三川河流域生態系統服務價值呈現“東高西低”的分布格局,高值區主要為流域東部即方山縣及中陽縣南部的部分街鎮,低值區為該流域中西部即柳林縣和離石區的部分街鎮。

(2)居民福祉水平總體呈現“中部低,東西高”的空間分異格局。高值區主要分布于方山縣、離石區東部、中陽縣東南部和柳林縣中西部,最高值為圪洞鎮,低值區為流域中部及南部的部分街鎮。

(3)生態系統服務和居民福祉的耦合協調狀態在街鎮間分布存在差異,耦合協調程度的差異主要受社會發展水平及生態狀況差異的影響。耦合度呈現“南北高,中間低”的特征,耦合協調度呈“東高西低”的空間格局,以協調狀態為主,其中良好協調比例58.9%;同時中西部街鎮處于生態滯后型,東部處于福祉滯后型,同步發展型城鎮較少。

(4)耦合協調度在空間上的差異受到多種因子的共同作用,其中土地利用程度、植被覆蓋度、年均降水量的影響較大,是推進生態系統服務與居民福祉協調發展過程中應該關注的主要因子;交互探測結果顯示植被覆蓋度、土地利用程度與其他因子的交互作用對耦合協調度的影響顯著。

5.2 建議

(1)科學規劃生態空間,推動生態保護與城市建設協調并進。流域中部需開展生態空間規劃整治,提升用地效率,在流域中心發展快速區域探索構建“城市立體綠化”格局,可有效縮減與東部生態狀況差距,推動生態保護與城市建設協調并進;對于高服務價值區要持續保護此地區的生態環境,另一方面積極推動自然資源實現價值化,滿足居民生存發展需求。

(2)加大政策傾斜,實現產業升級改造。生態系統管理的關鍵目標是在區域尺度上推進人與自然和諧,提高居民對生態系統的幸福感[35-36]。協調區應在推進目前發展戰略前提下探索新的發力點,從良好協調向高水平協調邁進,如南部地區利用生產優勢推進木耳、核桃等農產品提質增效。對于失調區即中西部需重點關注生態質量,加大清潔治理、節能減排和打擊破壞生態的力度,注重優美環境對居民福祉的積極作用,同時引進人才、綠色技術和科技投入并做到合理適配,推動產業升級;另外繼續推進教育投資及宣傳等相關工作,培育生態文化。

(3)充分發揮資源優勢,擴大特色種植品牌影響力,提升資源稟賦優勢。交互探測結果表明植被覆蓋度、土地利用程度和人均年收入等自然因子和社會經濟因子是影響耦合協調度分布的重要因子,因此提出以下建議:首先提高對流域中西部植被覆蓋的關注,提升生態價值;其次流域南部山區人均收入低,可利用本地區的資源特色,推廣氣候資源旅游或特色種植—生態旅游—健康經濟相結合等模式,多途徑、可持續實現生態資源紅利健康轉換;最后規范山區管理,整合村鎮,不僅能夠提升基礎設施資源利用率,更易于激發集體效應,形成穩固的特色產業鏈。